处理有机废料的方法和装置 【发明领域】
本发明涉及一种用于从不挥发材料中分离较易挥发组分，通常是从废物的无机固态组分中分离废料的有机组分的方法和装置。该方法包括磨碎部分地浸没或漂浮在熔融材料的浴器内的容器中的废料，以便破坏这些材料(通常为附聚物)，并且用加热的方式从这些材料中释放出蒸气形式的挥发性组分。该装置包括一个至少部分地浸没在熔融锡浴器内的容器，它用于将热量从浴器传递到容器内部，以便从原材料中解吸或释放较易挥发组分。
【发明背景】
现已知道有多种措施可用于破坏有机废料。特别是在1989年4月11日和1991年9月24日授权的美国专利US4,819, 571和US5,050,511中分别描述了有机材料还原剂，如聚氯化联苯(PCBs)等，这两篇文献的说明书共同作为本文的参考文献。
在处理废物时，通常在实际的破坏过程之前最好先去除不需要破坏的材料。例如，池塘淤泥可能含有大量不需要进行破坏的无机材料，如金属和硅酸盐等。处理这些材料会降低每单位时间破坏材料的量，由于无机材料要消耗破坏反应器内的热能，所以增加了破坏所需的能量，又由于需要进行清洗及其它原因，还会增加反应器停工地时间。总之，通常最好能在将有机组分引入到破坏过程之前，将待破坏的有机材料从其它材料(这里称之为″非活性″或″惰性″材料)中分离出来。这种通常为固体的惰性材料，假如完全不含有被认为是有害的化合物，则可重新用作清洁填充材料，或作为非常规材料处置。如果有害无机化合物出现在惰性材料中，则可反复利用它们，以便回收金属和对它们作进一步的处理，或在适当的废渣埋填法进行处置。
1983年9月6日颁发给Meenan等人的美国专利US4,402,274的说明书中描述了处理含淤泥的PCB的方法和装置，其中利用温度在850℃到2500℃的范围内的热湍流气体对淤泥进行加热，以从淤泥中分离PCBS。该装置包括一个分离器，将淤泥注入该分离器中并通过从分离器的底部向内吹送热风来将淤泥进行干燥。已授权的相关专利有美国专利US4,463,691(1984年8月7日)、US4,685,220(1987年8月11日)、US4,699,721(1987年10月13日)、US4,778,606(1988年10月18日)和US4,793,937(1988年12月27日)，所有这些文献的说明书都作为本文的参考文献。
美国专利US5,050,511提出了依赖于待分离的非活性材料性质、预处理具有有机和无机组分的废料的一个磨粒收集工序或一种玻璃化方法。
到现在为止，这里所描述的方法的发明人已意识到，人们仍需要提供改进的从有机材料中分离无机固体材料的处理工序，该工序用于从不挥发的无机材料中分离出较易挥发的金属，如汞、砷、铯等。
下文在描述本发明时将会提出这种问题。下面将就发明人所知描述目前已有的实施这种发明最好的方法和装置。很显然，本发明特别适合于用作对有害的有机材料进行随后的处理或破坏这种较大处理过程中的″预处理″工序，这是本文中要描述的最佳方式。但是应当理解到，这种方法和/或装置在″孤立″的情形中大概是很有用的。因此，为了以后的工业或其它商业目的，可将有机材料从无机固体中分离并收集起来，或利用下文将描述的本发明进行处理。
发明总述
按照第一个主要方面，本发明是一种分离具有固体组分的附聚物的较易挥发成分的方法。该方法包括在磨碎至少部分地浸没在熔融材料浴器内的容器内的附聚物，以释放其中的作为蒸气的较易挥发组分。如果需要可捕集释放的蒸气。
在本发明的内容中，“附聚物″是任何含有在加热时以气体形式释放出的组分的材料。这种成本相对于作为固体材料的较稳定的保留的组分是较易挥发的。
按照下面较详细地描述的优选实施例，在处理附聚物的过程中对熔融材料的浴器进行加热，以便为粉碎容器内的蒸发过程提供能源。
在本发明的一个特定方面，熔融材料是熔融的锡。
在优选实施例的方法中，粉碎容器是一具有大体沿水平方向延伸的中心轴的圆筒，粉碎步骤包括使圆筒绕其轴旋转，以使材料在容器内按照该方法通过材料的碰撞和到处运动来对其进行处理。
该方法适合处理废料。尤其是含有机材料的废料。在处理这种废料的这种情况下，捕集步骤包括输送从气态流内的废料中释放的有机蒸汽，一般说来，这种气态流通常不包含氧。这样就避免了在粉碎机中的有机材料发生氧化，而氧化对于材料的处理和处理装置的构件来说都是不利的。
气态流可以是或也可以不是还原气体，如氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然气或它们的混合气体。
气态流可以部分或全部是相对化学性质不活泼的气体，如氮气或氦气等。
在本优选实施例中，粉碎容器具有相对化学性质不活泼(至少在实施该方法时处于这种状态)的固体颗粒或内侧体。容器的运动使内侧体自由运动并促使附聚物颗粒分裂成较小颗粒。
现已发现，在实验室规模下，利用下面将详细描述的优选实施例可获得相似的最终结果，即将附聚物材料粉碎到必须能使有机组分有效释放的不同的程度。可以理解，在按比例扩大的生产过程中，获得类似最终结果所需的条件大概只有较小的改变。
固体磨粒或碎体以球形的为好，最好是金属球。球的直径可在约1至6英寸之间。例如，现已发现，所有球的直径都在约11/2英寸的工艺能更有效地促使淤泥颗粒破碎。
可以很明显地看出，该优选方法可获得较小并且粒度均匀的颗粒。
按照第二个主要的方面，本发明包括一个热解吸装置。一种较好的装置包括一个与周围环境隔绝的解吸容器，该容器内容纳含有较易挥发的、以便从中热解吸的成分的附聚物材料。该装置具有一个熔融锡浴器并且容器至少部分地浸没在该熔融锡浴器内，以使热量从浴器传递到用于从附聚物材料中解吸较易挥发组分的容器内部。
应当理解，″热解吸″在本文中有较广泛的含义。较易挥发组分可通过蒸发以气体形式释放，并且可利用化学反应来促进这种释放，比如通过与输送的气体中的氢的化学反应来在大有机分子范围内打开化学键。重要的是，热传递或热能有助于释放在装置内进行处理的材料中的较易挥发组分。有多种方式释放较易挥发组分，而不仅仅是上述的两种，正如下面结合优选实施例所作的更详细的描述那样。
在该优选实施例的装置中，具有一个入口和一个出口，以一种可控的方式使输送的气体通过入口被送入容器并通过出口使输送和释放的气体流出容器。
该装置内当然可以具有粉碎部件，例如粉碎用于与容器内所容纳的待处理材料相互混合的固体。
在优选实施例中，容器是具有大体沿水平方向延伸的中心轴并绕该轴旋转的圆筒形容器，粉碎装置包括容器内的实心球，在容器旋转期间，它们与附聚物材料相互混合，以便将附聚物材料块粉碎成较小粒径的颗粒。
容器的水平长度与高的比例如可以在3∶1至10∶1之间，一般认为在大约5∶1时是较适合的。
该优选设备包括用于在输送的气体进入容器之前对它进行加热的装置。
该优选设备包括一个具有一对分室的漏斗，各分室都能与送料装置相通并与周围环境相隔绝，还包括另一个分室，它在将材料装入第二分室的同时，将材料交替地从第一分室送入容器并与第二分室和周围环境相隔绝，并且在将材料装入第一分室的同时，将材料从第二分室送入容器并与第一分室和周围环境隔绝，从而基本连续地将要处理的材料送入解吸容器。
在本优选实施例中，解吸容器是一个圆筒形容器，它具有大致水平延伸的中心轴和至少容器的下部浸没在熔融锡浴器内。
在一个特定的实施例中，本发明是一个用于解吸附聚物的较易挥发组分的热解吸磨机。该解吸装置包括一个可旋转解吸容器，它至少部分地浸没在该熔融锡浴器内，使热量从浴器传递到槽内部，以促进从槽内的附聚物材料中以气体形式解吸较易挥发组分。为该浴器设置一个加热器。在容器内有较为惰性的固体，当容器旋转时，这些固体与附聚物相互混合，以便用物理方式将它们破坏。容器具有一个用于送入附聚物的入口、一个用于排出气体的第一出口以及一个用于在容器内保持住固体的同时将附聚物物的较不易挥发的固体组分的磨粒排放出去的第二出口。
下面将结合本发明的优选实例进一步描述本发明的上述的和其它的方面。
附图简述
在附图中：
图1是本发明的移动式设备的顶视平面图；
图2是图1设备的局部剖开的侧视图；
图3是沿图2的3-3线截取的装置的附聚物送入端的端视图；
图4从与图3相同位置看去的局部剖开的设备细节图；
图5从与图3相同位置看去的局部剖开的设备细节图；
图6是局部剖开的设备出口端的透视细节图；
图7是设备的实心端处理部分的侧视图。
优选实施例的详述
现在参见附图，图中示出了一个优选实施例的移动式设备10。设备10一般包括安装在55英尺双吊板拖车20上的废物输入机构12、球磨机14、锡浴器16和固体回收机构18(见图7)。
位于拖车前端的废物输入机构12分成数条平行送料线，各条线彼此大致相同，所以只对一条线进行描述。每条线都包括一个具有宽顶窄底的漏斗22。管24在漏斗与磨机14内部之间提供连通的通道。传送器具有两对相互啮合的、以相反方向旋转的6英寸(大约15.2cm)水平直径螺杆26，该螺杆在漏斗的底部与磨机内部之间延伸，该传送器用于将原料从漏斗输送到球磨机内。漏斗22的盖可以关闭，以将漏斗内部与周围环境隔离开。
球磨机14具有一个内装11/2英寸(3.8cm)钢球30的转筒28。该转筒部分地浸没在浴器16的熔融锡内并由驱动装置32驱动它旋转。将锡浴器装在静态的也即静止的筒34中。驱动装置具有两个电机(图中未示出)，电机上有与驱动链轮36相啮合的齿轮，驱动链轮通过滚链38连接到位于以转筒28轴线为中心的轴上的同轴链轮40上。喷燃器42设在炉体44内的锡浴器16的下方。燃烧过的喷燃器气体通过烟囱46释放。管48为气体的流入提供通道，该管48穿过球磨机周围的热区，它用于将进入的气体引入转筒28的与原料进口相反一端。在管24的周围设有用于引出气态材料的通道，以使气体排入管50，从而使气态材料从转筒的与原料进口相同的一端排出。在所公开的实施例中，管50通到例如美国专利US5,050,511中所示的那种还原容器中，以便对排放的气态材料进行处理。利用槽54将挡板设置在固体出口52附近，以便使球30保持在转筒28内。叶片56与水泥卡车混合机的叶片相似位于槽与出口之间。固体回收机构18具有一个用于送出从转筒28的出口端内的口52中排出的固体或磨粒的传送器58。由电机60驱动的传送器58通入管62中，管62最后通到搅拌机64。
固体回收机构18具有蒸汽入口66。蒸汽入口的下游处有水入口68。将材料进一步送到通过水冷却夹套72冷却的冷却区70。旋转式气锁74设在冷却夹套与搅拌机64之间。搅拌机中由电机80驱动的轴78上装有浆叶76。
为了开始运行，将定量的污染材料装入一个漏斗22内。漏斗的底部密封，以便将机构内部与环境隔离。将装料后的分室顶部关闭并从而与周围环境和设备的其余部分隔绝。然后，利用通过进口阀和出口阀(图中未示出)流入的氮气对分室进行氧气的清除。设备的其它分室与外部环境隔绝，也就是说，对通向搅拌机的管24、球磨机14、进气管48、出气管50、管62进行类似的氧气清除。同样，对例如美国专利US5,050,511中所示的有机物破坏器的还原容器也进行氧气清除。
利用加热器42使锡浴器16保持在熔融状态，并处于高于锡的熔化温度的适当温度，即高于约232℃。驱动转筒28旋转并使螺旋推进器26旋转，以将废料从装料漏斗经管24传送到转筒内。在该转筒内，废料与热球30接触并一起颠簸、破裂、粉碎或一起破碎成较小的颗粒。此外，从热球和热转筒壁传递的热量引起有机材料挥发或扩散到转筒的大气中。
氢气是通过管48输送的，管48本身穿过加热区82，该加热区在转筒的原始废物入口相反端进入转筒，氢气的流动是受一个适当的阀来控制的。因此，氢在进入转筒28之前对它进行加热。从废物中释放的挥发材料由大体沿箭头84的方向流动的氢气所携带并因此而流入气体出口管50，以便再流入用于破坏的反应器。
工作过程如下：水和极易挥发的化合物最初在转筒的废物入口端被加热并蒸发。一旦水蒸发掉，当转筒内的固体温度升高时，再配合氢对固体的可及性的增加，随后就使少量的挥发和半挥发的有机化合物挥发。随着进一步的加热，使高分子重烃和其它较不易挥发的有机化合物，如纤维素和聚合烃都气化成较小的气体分子，并可能留下一些剩余的碳。
最后形成在转筒内的条件下化学性不活泼的废料的固体残留物或磨粒。通常将磨粒输送到转筒的出口端。最后，这些磨粒由旋转叶片56通过槽54输送到口52，然后落入的搅龙58中，再由搅龙将磨粒输送到搅拌机。槽54应该足够小，以便阻留住任何不适合于在转筒中破碎的大颗粒的原料。
由螺杆和叶片输送带构成的传送器58有约4英尺长，它用于将材料输送到搅拌机。通过口66喷射水蒸汽。这些蒸汽在某种程度上形成气密封，并由于清洁的水蒸汽是与污染的蒸气逆流的，因此减小了固体的再污染程度。受控水流通过入口68喷射到搅拌机上游几英寸处。大部分水清洗了下游处，这些水与送出的固体混合并有助于送出的固体的冷却，这样便形成了糊状材料。使温材料通过冷却区70，由水冷却夹套72将它们冷却。将材料输送到旋转气锁74并进入搅拌机64。糊状材料在搅拌机内压缩并聚集，最后以较均匀的糊状从搅拌机中被挤出。搅拌机还有助于将设备的固体出口端与外界环境隔绝开。
在另一种方案中，可利用与搅龙58类似的搅龙从磨机出口88中回收固体，搅龙是风冷而不是水冷，同时将不断产生的热空气引入一个锡浴器喷燃器42的助燃空气风扇进口。然后排出搅龙的固体通过旋转的气锁阀进入一个临时存放漏斗。小股的水喷射流会在热固体上产生水蒸汽，同时对固体提供进一步的冷却，而且利用通过旋转气锁阀和固体排放搅龙的反向蒸汽流在存放漏斗和磨机之间形成气密封。利用管道式链传送器可将热固体排出临时存放漏斗，该传送器具有一条带圆盘的链，它能迫使固体进入并通过管道，然后进入固体调节腔。管道式链传送器以设置在固体表面下方的方式来提高设备内部与外部大气之间气密封的程度。利用可控的水喷射来对调节腔内的固体进行冷却和加湿。调节腔可选择地装备其它种类的混合装置，如搅龙等，这样可有助于喷射水与固体的混合，并有助于更好地进行热传递。产生的蒸汽可送到水冷箱或塔设备中，蒸汽在其中冷凝成水并在一个热交换器中冷却。由于调湿腔要耗费水去加湿固体，因此在蒸汽冷却系统中不会产生溢流现象，并且还必须补充水。经过调湿的固体由管道式链传送器的延续部分排出调湿腔并送到一个方便的地点，以将它们收集在一个料箱或堆垛中。
在对装入一个漏斗分室22中的废物进行处理时，将其它分室与系统的其余部分隔离，并装载废物，清洗分室。一旦将第一批料送入转筒，则使第一分室与系统隔离并打开第二分室，以便或多或少地不断向转筒内输送废料，尽管是将废料交替地分批送入两个漏斗22内。
最后，还原过程的通常包含氢的气态产品流可作为输送流的源。
可以理解到，将氢气流动通道内部与外部环境隔离开是很重要的，因为氢非常容易与氧起反应。
这里公开的分离工艺本身(即较易挥发和不挥发材料的工艺)在现有技术中通常称为热解吸。这是因为传递到废料的热量或热能会从较不易挥发的组分，例如砂子中产生解吸材料中较易挥发的有机组分。
氢或含有相当高浓度的氢的混合物最好是在这里描述的过程中携带的气体，这是因为氢在如美国专利US5,050,511中所述后续工序中是用于还原解吸有机物的气体。可以理解，还原是在解吸设备本身中完成的。另外，由于氢的粒径小并能穿透多孔表面，所以它可促进解吸过程。氢的反应性可强化从无机材料中解吸有机分子的反应。氢也可削弱分子之间或与粘土表面的结合作用，以提高解吸效率。因此，可以认为，氢可强化对氮、氦和其它惰性气体的解吸特征。
尽管如此，在想仅仅收集解吸材料并利用例如蒸汽、氮或氦或它们的混合物作携带气体的其它应用中，氢都是合乎需要的。当然，如果想避免解吸材料氧化，由在大多数场合下不使用氧。
该公开实施例的转筒，其直径大约为4英尺(约1.2米)，长度大约为20英尺(约6.1米)，并且是用钢或不锈钢制成的。磨机的内曲壁通常具有特殊断面形状，以便减小球的冲击式运动。有3至7排的球就足以适用于多种场合。
转筒内用适当的材料作内衬，以延长钢的使用寿命。
对于含有PCBs的土和淤泥，洗浴温度在大约500℃至600℃是较适合的解吸温度。可在各种不同情况下确定准确的运行状态：如洗浴温度、球的数量、转筒的转速、废料输入转筒的速率、携带气体的流量及固体在转筒中的停留时间等。
由在废料中运动的球的粉碎作用造成的有机纤维的粒径缩小和破碎将提高对含有固体或其它如粉土质粘土等附聚物材料的废物中的有机组分的解吸率。
较小的粒径可增大固-气的接触表面积，这样就提高了从非挥发材料中解吸有机化合物的解吸率和解吸程度。
这里所公开的方法和装置特别适合于对含有聚合芳烃(PAHs)的焦油进行预处理，以便为后续的破碎或其它处理解吸PAHs。
其它可能的应用包括：对其它危险有机废物、危险金属、煤焦油、生物医学废物和纸浆废物等的预处理。废料可含有或不合有如卤代联苯、卤代苯、卤代苯酚、卤代环烷、卤代烷烃、卤代烯烃、卤代二氧杂环乙二烯(halogenated dioxins)和卤代氧芴等有机化合物。如前所述，PCBs可以包含在废物内，或其它常用氯化了的有机化合物，如氯化苯、氯化苯酚、氯化环烷、氯化烷烃、氯化烯烃、氯化二氧杂环乙二烯(chlorinated dioxins)和氯化氧芴等。
可以理解到，虽然这里主要描述了物理和化学解吸方法，但组分分离的机制可以涉及蒸发、气化和给定的还原气氛、部分化学还原中的一种或它们的结合。因此在本发明的内容中，术语″解吸″包括任何使材料挥发，也就是使材料从固体中以气体形式释放的过程。
现已发现，在任何情况下都可获得显示出本发明效能的在实验室范围内的结果。过去一直将氢用作输送气体。在一个按比例扩大的方法中，影响挥发度的主要有效变量可能是材料在磨机的转筒内总的停留时间和磨机内的温度。试验规模的结果表示在表1中。
表1：热解吸磨机的试验规模的试验结果总结 废物PCB 磨粒PCB废物类型 浓度(ppm) 浓度(ppm)土(焦油的，油的) 39 0.01土(干燥的，砂的，PCB加料) 440 0.0039土(干燥的，砂的，PCB加料) 520 0.0016沉积物(泥浆的，细的，PCB加料的) 710 0.028沉积物(泥浆的，细的，PCB加料的) 790 0.0097沉积物(泥浆的，细的，PCB加料的) 750 0.065沉积物(泥浆的，细的) 7.3 0.0029沉积物(泥浆的，细的) 8.3 0.0066沉积物(泥浆的，细的) 8.3 0.0013沉积物(泥浆的，细的) 420 0.0017沉积物(泥浆的，细的) 420 0.012沉积物(泥浆的，细的) 2000 0.044沉积物(泥浆的，细的) 1200 ND(0.011)沉积物(泥浆的，细的) 8.3 ND(0.005)
从表1中可以看出，在按照本发明的方法进行处理之后，使砂残余物中原始废料的PCB浓度大大减少了，即减少到了原来的百万分之几。所表示出的结果是在熔融锡的温度在500℃至600℃之间，处理时间为5至15分钟的条件下获得的。尽管这些结果的获得取决于待处理材料在磨机内的停留时间、磨机内的温度等，但很明显，利用这里所公开的本发明，可从不同种类的原始材料中有效地解吸大量PCB材料。
就废料处理而言，使用本发明的人的主要目的可能是以至少满足当地的管理条例规定的要求的程度来去除挥发性材料。对于给定种类的原始废料，利用所描述的方法和设备应当能重现这种过程并因此可得到预定的结果。因此，当理解到，术语″粉碎″包括将附聚物材料破坏成较小的部分，以使挥发材料释放，但显然，利用所述的方法，固体颗粒也能被破碎或磨成较小粒径的颗粒。
在所公开的实施例的方案中，转筒浸没在熔融锡中的程度达到其直径的15％。但这也是可以改变的。锡的高密度使它适合作为支撑转筒的浴料。同样，锡的高热传导性、低粘度、高表面张力和与氢的不反应性，使它特别适合于用作浴料。
转筒28相对浴器转筒34的安装高度可根据在给定的时间转筒34内锡的量或转筒28内的材料重量而改变。在高度上的有限变化是可以通过对辊驱动链在原料送入端的设置和通过将转筒中心轴86安装在设备的固体出口端的垂直导向件88的轴承上进行调节的。
如前所述，锡的熔点大约为232℃，沸点大约为2260℃，并且元素锡是低毒的。因此，这里所公开的方法可在相当宽的温度范围内工作，并应考虑到随着温度的提高，某些材料(如不锈钢等)的应力要减小。
在所公开的使用丙烷、天然气或其它任何适用的燃料的实施例中有两种喷燃器42。废物破坏方法的还原产品甚至也可以用作喷燃器的燃料。也可以使用以高空气/燃料比工作的多喷燃器燃料管系统，以提供更均匀的加热并控制火焰温度。转筒有数个构成一个加热炉的外壁，该加热炉分成上腔和下腔。燃烧后的喷燃器气体首先通过下炉腔被引向转筒的磨粒出口端。然后使这些气体流经上炉腔，以加热转筒上部的流入吹扫气体的管48以及排出吹扫和解吸气体的管50。燃烧后的喷燃器气体最后从加热炉中通过烟囱46排到外部大气中。
上述的废物输入系统12的另一个方案是一种具有一个连续空腔泵的系统，该系统还有并联的彼此基本相同的输送管路，它们用于大致连续地输送交替装入的批料。这种泵可从Bornemann或从弗吉尼亚州Chesapeake市的Ingerspoll-Dresser泵公司买到。
由于这里所述的方法和设备可能经常要使用如果排放到环境中会对环境有毒害的材料，因此在使用本发明时应采取适当的监测和安全设施。例如，通常在搅拌机出口设置一个或多个能检测危险材料的监测器，如果发现有危险材料可能通过该出口泄漏，则该出口可自动受控地关闭该设备。
可很理解到，上面对本发明人现在已了解到的优选方式进行了解释，并且还给出了对本发明的理解。本领域的专业技术人员可认识到，可根据上述方式进行各种变换，本发明的保护范围由权利要求限定。